第20讲 水下地形测量.
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第20讲 水下地形测量
水下地形图的用途
（1）建设现代化的深水港，开发国家深水岸段和沿 海、河口及内河航段，已建港口回淤研究与防治 等都需要高精度的水下地形图； （2）在桥梁、港口码头以及沿江河的铁路、公路等 工程的建设中也需要进行一定范围的水下地形测 量； （3）海洋渔业资源的开发和海上养殖业等都需要了 解相关区域的水下地形； （4）海洋石油工业及海底输油管道、海底电缆工程 和海底隧道，以及海底矿藏资源的勘探和开发等， 更是离不开水下地形图；
水位观测
• 水深测量需与陆地上平面位置与高程联系起来才具有水下 地形测绘等实用价值。测深与高程系统的联系，一般通过 水位观测的措施。 • 简单的水位观测站为立在岸边水中的标尺，标尺零点高程 通过与水准点联测求得。 • 水深测量期间，按一定时间间隔对标尺进行读数，并绘制 成水位-时间曲线，由此曲线即可得到测深时水面的瞬间 高程，从而根据水深就可得到水底的高程。 • 在落差较大的地区，应设置多个水位观测站，并利用其测 值按距离或高差进行归算改正。 • 利用水文观测资料查询。
Submetrix EchoScope
300kHz 200kHz
468kHz 300kHz
127 30
2000 4096
1.5°×1.5° 2.5°×3°
0.9° 0.8°×0.8°
0.5~200m 2~100m
50m 1~100m
150° 90°
300° 50°
4倍水深 2倍水深
15倍水深 2倍水深
水下地形数字化测绘系统示意图
GPS卫星
GPS坐标 水 深
基准站
流动站
8
GPS实时导航控制作业
GPS实时导航轨迹图
§5-3 测深点的定位精度
略
§5-4 水下地形测量的内业工作
主要工作
• 准备工作：测量资料的整理和检查 • 展点：把测深点展绘在图纸上，并 标注高程 • 勾绘等深线
水深值粗差的探测
主要工作
• • • • 控制测量 水深测量 测深点的平面定位 内业绘图
控制测量
• 水下地形测量的平面和高程控制应尽可能与陆上 地形测量构成统一整体，只有在某些不需要进行 陆上地形测量的情况下，才能单独为水下地形测 量建立独立的平面和高程控制。 • 根据河流的大小和测区的范围，平wenku.baidu.com控制网可沿 河流两岸布设成小三角锁或导线，其等级和精度 应与陆上地形测量相应比例尺地形图的要求相同， 并尽可能与国家控制点或高级控制点联测。 • 由于GPS技术的推广应用，目前水下地形测量的 平面控制测量工作一般采用GPS完成，高程控制 测量也在向GPS水准的方向发展。
水深测量设备
• • • • • • 测深杆 水砣（测深锤） 回声测深仪 多波束测深系统 机载激光测深系统 遥感技术
测深杆
测深绳
回声测深仪工作原理图
显示设 备 激发器 电源 接收放大 器
发射换能 器
接收换能 器
回声测深原理
多波束测深仪
• 回声测深仪只能沿测线测量水深值，而多波束测 深仪是一种能够一次给出与航向垂直的剖面内几 十个甚至上百个水下测点水深值的测量仪器。 • 多波束测深仪具有测量范围大、速度快、精度高、 记录数字化以及成图自动化等优点，它把测深技 术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深 和自动成图，从而使水下地形测量技术发展到了 一个较高的水平。 • 多波束测深仪按工作频率分为高频、中频和低频 三种类型，一般将工作频率在95kHz以上的称为 浅水多波束，频率在36~60kHz之间的称为中水多 波束，频率在12~13kHz之间的称为深水多波束。
测船动态吃水改正
船只动态吃水：经试验，速度10km/h以下的船只动态吃水可 达5cm。将换能器安装于船只中部，可消除其影响。
船只倾斜的误差影响
GPS天线与测深仪换能器之间联杆的长度为一固定值，测深 船的倾斜会引起GPS天线与测深仪换能器之间联杆的倾斜，联杆 倾斜对平面定位的精度影响较大，而对高程的精度影响很小。只 要将联杆长度控制在2米以下，这两项误差的影响完全可以忽略。
水深测量
• 水深测量即测定水底点至水面的高度的测 量工作，是水下地形测量的一个中心环节。 • 在水深测量前，先要确定测区范围和测图 比例尺，设计图幅，准备图板和展绘控制 点，布设测深线和验潮站，以及确定验流 点和水文站的位置。 • 测量时，测量船沿预定测深线连续测深， 并按一定间隔进行定位，同时进行水位观 测。
测深船的倾斜
引起的误差随联杆长度的变化情况
联杆长度 L（m）
1
2 0.14
3 0.21
4 0.28
5 0.35
平面误差Δ S（m） 0.07 垂直误差Δ H（m） 0.002
0.005 0.007 0.010 0.012
§5-2 测深点的定位
定位方法
• 前方交会
经纬仪前方交会 平板仪前方交会
• 后方交会 • 无线电定位系统
水深测量的误差及测深仪的检验
• 仪器误差
对于SDH-13D为0.4%
• 外界环境影响
波 浪 、 鱼 ， 水 草等 反 射 的 假 回声 ， 潮 汐 和 海面 气象 条件的变化等。
• 作业人员产生的误差 • 测深仪的检验
声速改正
在内河（淡水）进行水深测量，水下声波的反射和折射现象， 都要涉及到声波在水中的传播速度问题，声速是一个极为重要的 物理参量。 实际工作中，在现场实测温度，通过查阅有关资料并进行实验， 建立了声速改正数学模型，温度变化对声速的影响最大，每变化 1℃，对声速的影响约为4.5m/s。温度是随深度、时间和季节而 变化的。水深测量时，这些河况条件必须精确地测定
测线法和抗差的圆域法
（1）测线法
比较被检测点与其相邻的点的高差或者坡度。如 某点与其相邻点的高差符号相反且大于一定的值，或
两个相邻的坡度符号相反且大于一定的值，可判断此 点为异常点而剔除。此法对于一些“孤点”的判定十 分有效。
（2）抗差的圆域法
自然地形表面符合一定的自然趋势，另外还有 信号和噪声。地形点之间有一定的相关性。这 是粗差探测的基础。 所谓圆域法是逐点在一定的范围（圆域）内， 根据周围的点判断被检测点是否为异常点。但 经典的假设理论（粗差归入函数模型）不具有 抗差性，特别是粗差成簇出现时，剔除的效果 不理想。为此，将粗差归入随机模型，即把含 粗差观测值视为取自同期望异常大的方差母体 的子样，建立抗差的圆域法数据模型。
特点
• 水下地形图在投影、坐标系统、基准面、图幅分 幅及编号、内容表示、综合原则以及比例尺确定 等方面都与陆地地形图相一致，但在测量方法上 相差较大。 • 水下地形测量时，每个测点的平面位置与高程一 般是用不同的仪器和方法测定。 • 水下地形测量时，水下地形的起伏看不见，不像 陆地上地形测量可以选择地形特征点进行测绘， 而只能用测深线法或散点法均匀地布设一些测点。 • 水下地形测量的内容不如陆上的那样多，一般只 要求用等高线或等深线表示水下地形的变化。
高程异常产生的原因：水下地形测量与陆地相比较， 水下测量具有明显的动态效应，由于受水的阻隔，水 深测量不仅受大气的影响，而且受水流的运动、水的 物理性质、甚至水下运动物体的影响，水下测量具有 比陆地更多的干扰源。 水下测量的高程出现粗差（异常）的概率远远大于陆 地，据文献报道，其概率可达 3% 。另外，水下进行重 复测量比较困难，而且缺乏必要的几何图形检核条件， 给粗差的处理增加了一定的难度。
部分多波束测深仪技术指标
型号 SeaBeam SeaBat 频率 180 kHz 455kHz 波束数 126 60 波束宽度 1.5°×1.5° 1.5°×1.5° 测深范围 1~300m 1~140m 扇区开角 153° 90° 扫描宽度 8倍水深 2~4倍水深
EM3000S Echoscan
测深点的布置
• 为连续测得水深，必须选择适当的测深线间隔和 方向。 • 测深线间隔一般取为图上1厘米，测深线方向一般 与等深线垂直。 • 港湾地区的测深线方向应垂直于港湾或水道的轴 线。 • 沿岸测量中，测深线的布设，在岬端处应成辐射 状，在锯齿形岸线处应与岸线总方向成45°。 • 水底平坦开阔的水域，测深线方向可视工作方便 选择。 • 江河上可根据河宽和流速，布设横向、斜向或综 合的测深线。
（5）江河湖泊及水库区域的防洪、灌溉、发电和污 染治理等离不开水下地形图这一基础资料； （6）在军事上，水下潜艇的活动、近海反水雷作战 兵力的使用、战时登陆与抗登陆地段的选择等， 其相关区域的水下地形图是指挥作战人员关心的 资料； （7）从科学研究的角度上看，为了确定地幔表层及 其物质结构、研究板块运动、探讨海底火山爆发 与地震等，也需要水下特殊区域的地形图； （8）为了进行国与国之间的海域划界工作，高精度 的海底地形图是必备的。
圆系统定位 双曲线系统（时差法定位、相位差定位）
• 极坐标自动定位系统 • 动态GPS定位
无线电双曲线定位系统定位原理
GPS 接收机
数据电台
发射 GPS 伪距差分改正信号
基准站
接收信号 回声测深仪
数据电台
GPS 接收机
计算机
流动站
全数字化测图（全站仪） 白纸测图+扫描矢量化 （平板仪—工程扫描仪）
内业绘图
• 定位点绘入图板的方法有解析法和图解法两种。 • 解析法定位是将所测定的参数按一定公式计算出 点位坐标值，然后将点位绘入图板。现在这项工 作已可用计算机辅助地图制图系统来完成。 • 图解法定位指用格网法或用仪器直接将定位点绘 入图板。格网法是根据不同定位方法在图板上绘 制成各种形式的格网图。一般有:辐射线格网,用于 前方交会法定位；等角圆弧格网，用于后方交会 法定位；距离格网，用于测距系统定位；双曲线 格网，用于无线电双曲线定位系统定位。
水下地形图的用途
（1）建设现代化的深水港，开发国家深水岸段和沿 海、河口及内河航段，已建港口回淤研究与防治 等都需要高精度的水下地形图； （2）在桥梁、港口码头以及沿江河的铁路、公路等 工程的建设中也需要进行一定范围的水下地形测 量； （3）海洋渔业资源的开发和海上养殖业等都需要了 解相关区域的水下地形； （4）海洋石油工业及海底输油管道、海底电缆工程 和海底隧道，以及海底矿藏资源的勘探和开发等， 更是离不开水下地形图；
水位观测
• 水深测量需与陆地上平面位置与高程联系起来才具有水下 地形测绘等实用价值。测深与高程系统的联系，一般通过 水位观测的措施。 • 简单的水位观测站为立在岸边水中的标尺，标尺零点高程 通过与水准点联测求得。 • 水深测量期间，按一定时间间隔对标尺进行读数，并绘制 成水位-时间曲线，由此曲线即可得到测深时水面的瞬间 高程，从而根据水深就可得到水底的高程。 • 在落差较大的地区，应设置多个水位观测站，并利用其测 值按距离或高差进行归算改正。 • 利用水文观测资料查询。
Submetrix EchoScope
300kHz 200kHz
468kHz 300kHz
127 30
2000 4096
1.5°×1.5° 2.5°×3°
0.9° 0.8°×0.8°
0.5~200m 2~100m
50m 1~100m
150° 90°
300° 50°
4倍水深 2倍水深
15倍水深 2倍水深
水下地形数字化测绘系统示意图
GPS卫星
GPS坐标 水 深
基准站
流动站
8
GPS实时导航控制作业
GPS实时导航轨迹图
§5-3 测深点的定位精度
略
§5-4 水下地形测量的内业工作
主要工作
• 准备工作：测量资料的整理和检查 • 展点：把测深点展绘在图纸上，并 标注高程 • 勾绘等深线
水深值粗差的探测
主要工作
• • • • 控制测量 水深测量 测深点的平面定位 内业绘图
控制测量
• 水下地形测量的平面和高程控制应尽可能与陆上 地形测量构成统一整体，只有在某些不需要进行 陆上地形测量的情况下，才能单独为水下地形测 量建立独立的平面和高程控制。 • 根据河流的大小和测区的范围，平wenku.baidu.com控制网可沿 河流两岸布设成小三角锁或导线，其等级和精度 应与陆上地形测量相应比例尺地形图的要求相同， 并尽可能与国家控制点或高级控制点联测。 • 由于GPS技术的推广应用，目前水下地形测量的 平面控制测量工作一般采用GPS完成，高程控制 测量也在向GPS水准的方向发展。
水深测量设备
• • • • • • 测深杆 水砣（测深锤） 回声测深仪 多波束测深系统 机载激光测深系统 遥感技术
测深杆
测深绳
回声测深仪工作原理图
显示设 备 激发器 电源 接收放大 器
发射换能 器
接收换能 器
回声测深原理
多波束测深仪
• 回声测深仪只能沿测线测量水深值，而多波束测 深仪是一种能够一次给出与航向垂直的剖面内几 十个甚至上百个水下测点水深值的测量仪器。 • 多波束测深仪具有测量范围大、速度快、精度高、 记录数字化以及成图自动化等优点，它把测深技 术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深 和自动成图，从而使水下地形测量技术发展到了 一个较高的水平。 • 多波束测深仪按工作频率分为高频、中频和低频 三种类型，一般将工作频率在95kHz以上的称为 浅水多波束，频率在36~60kHz之间的称为中水多 波束，频率在12~13kHz之间的称为深水多波束。
测船动态吃水改正
船只动态吃水：经试验，速度10km/h以下的船只动态吃水可 达5cm。将换能器安装于船只中部，可消除其影响。
船只倾斜的误差影响
GPS天线与测深仪换能器之间联杆的长度为一固定值，测深 船的倾斜会引起GPS天线与测深仪换能器之间联杆的倾斜，联杆 倾斜对平面定位的精度影响较大，而对高程的精度影响很小。只 要将联杆长度控制在2米以下，这两项误差的影响完全可以忽略。
水深测量
• 水深测量即测定水底点至水面的高度的测 量工作，是水下地形测量的一个中心环节。 • 在水深测量前，先要确定测区范围和测图 比例尺，设计图幅，准备图板和展绘控制 点，布设测深线和验潮站，以及确定验流 点和水文站的位置。 • 测量时，测量船沿预定测深线连续测深， 并按一定间隔进行定位，同时进行水位观 测。
测深船的倾斜
引起的误差随联杆长度的变化情况
联杆长度 L（m）
1
2 0.14
3 0.21
4 0.28
5 0.35
平面误差Δ S（m） 0.07 垂直误差Δ H（m） 0.002
0.005 0.007 0.010 0.012
§5-2 测深点的定位
定位方法
• 前方交会
经纬仪前方交会 平板仪前方交会
• 后方交会 • 无线电定位系统
水深测量的误差及测深仪的检验
• 仪器误差
对于SDH-13D为0.4%
• 外界环境影响
波 浪 、 鱼 ， 水 草等 反 射 的 假 回声 ， 潮 汐 和 海面 气象 条件的变化等。
• 作业人员产生的误差 • 测深仪的检验
声速改正
在内河（淡水）进行水深测量，水下声波的反射和折射现象， 都要涉及到声波在水中的传播速度问题，声速是一个极为重要的 物理参量。 实际工作中，在现场实测温度，通过查阅有关资料并进行实验， 建立了声速改正数学模型，温度变化对声速的影响最大，每变化 1℃，对声速的影响约为4.5m/s。温度是随深度、时间和季节而 变化的。水深测量时，这些河况条件必须精确地测定
测线法和抗差的圆域法
（1）测线法
比较被检测点与其相邻的点的高差或者坡度。如 某点与其相邻点的高差符号相反且大于一定的值，或
两个相邻的坡度符号相反且大于一定的值，可判断此 点为异常点而剔除。此法对于一些“孤点”的判定十 分有效。
（2）抗差的圆域法
自然地形表面符合一定的自然趋势，另外还有 信号和噪声。地形点之间有一定的相关性。这 是粗差探测的基础。 所谓圆域法是逐点在一定的范围（圆域）内， 根据周围的点判断被检测点是否为异常点。但 经典的假设理论（粗差归入函数模型）不具有 抗差性，特别是粗差成簇出现时，剔除的效果 不理想。为此，将粗差归入随机模型，即把含 粗差观测值视为取自同期望异常大的方差母体 的子样，建立抗差的圆域法数据模型。
特点
• 水下地形图在投影、坐标系统、基准面、图幅分 幅及编号、内容表示、综合原则以及比例尺确定 等方面都与陆地地形图相一致，但在测量方法上 相差较大。 • 水下地形测量时，每个测点的平面位置与高程一 般是用不同的仪器和方法测定。 • 水下地形测量时，水下地形的起伏看不见，不像 陆地上地形测量可以选择地形特征点进行测绘， 而只能用测深线法或散点法均匀地布设一些测点。 • 水下地形测量的内容不如陆上的那样多，一般只 要求用等高线或等深线表示水下地形的变化。
高程异常产生的原因：水下地形测量与陆地相比较， 水下测量具有明显的动态效应，由于受水的阻隔，水 深测量不仅受大气的影响，而且受水流的运动、水的 物理性质、甚至水下运动物体的影响，水下测量具有 比陆地更多的干扰源。 水下测量的高程出现粗差（异常）的概率远远大于陆 地，据文献报道，其概率可达 3% 。另外，水下进行重 复测量比较困难，而且缺乏必要的几何图形检核条件， 给粗差的处理增加了一定的难度。
部分多波束测深仪技术指标
型号 SeaBeam SeaBat 频率 180 kHz 455kHz 波束数 126 60 波束宽度 1.5°×1.5° 1.5°×1.5° 测深范围 1~300m 1~140m 扇区开角 153° 90° 扫描宽度 8倍水深 2~4倍水深
EM3000S Echoscan
测深点的布置
• 为连续测得水深，必须选择适当的测深线间隔和 方向。 • 测深线间隔一般取为图上1厘米，测深线方向一般 与等深线垂直。 • 港湾地区的测深线方向应垂直于港湾或水道的轴 线。 • 沿岸测量中，测深线的布设，在岬端处应成辐射 状，在锯齿形岸线处应与岸线总方向成45°。 • 水底平坦开阔的水域，测深线方向可视工作方便 选择。 • 江河上可根据河宽和流速，布设横向、斜向或综 合的测深线。
（5）江河湖泊及水库区域的防洪、灌溉、发电和污 染治理等离不开水下地形图这一基础资料； （6）在军事上，水下潜艇的活动、近海反水雷作战 兵力的使用、战时登陆与抗登陆地段的选择等， 其相关区域的水下地形图是指挥作战人员关心的 资料； （7）从科学研究的角度上看，为了确定地幔表层及 其物质结构、研究板块运动、探讨海底火山爆发 与地震等，也需要水下特殊区域的地形图； （8）为了进行国与国之间的海域划界工作，高精度 的海底地形图是必备的。
圆系统定位 双曲线系统（时差法定位、相位差定位）
• 极坐标自动定位系统 • 动态GPS定位
无线电双曲线定位系统定位原理
GPS 接收机
数据电台
发射 GPS 伪距差分改正信号
基准站
接收信号 回声测深仪
数据电台
GPS 接收机
计算机
流动站
全数字化测图（全站仪） 白纸测图+扫描矢量化 （平板仪—工程扫描仪）
内业绘图
• 定位点绘入图板的方法有解析法和图解法两种。 • 解析法定位是将所测定的参数按一定公式计算出 点位坐标值，然后将点位绘入图板。现在这项工 作已可用计算机辅助地图制图系统来完成。 • 图解法定位指用格网法或用仪器直接将定位点绘 入图板。格网法是根据不同定位方法在图板上绘 制成各种形式的格网图。一般有:辐射线格网,用于 前方交会法定位；等角圆弧格网，用于后方交会 法定位；距离格网，用于测距系统定位；双曲线 格网，用于无线电双曲线定位系统定位。